Timantti on äärimmäisyyksien materiaali. Tämä ominaisuuksiltaan poikkeuksellinen hiilen allotrooppinen muoto on sähköinen eriste, joka johtaa erinomaisesti lämpöä. Yleensä hyvin lämpöä johtavat materiaalit ovat metalleja, jotka johtavat hyvin myös sähköä. Metalleilla lämmön- ja sähkönjohtavuudesta ovat vastuussa elektronit. Timantissa elektronit on valjastettu kovalenttisiin sidoksiin ja äärimmäinen lämmönjohtavuus on seurausta tiukasti järjestäytyneestä rakenteesta. Tässä rakenteessa lämpö pääsee värähtelemään, ikään kuin napakasti toisiin kytkettyjen jousien välityksellä, eteenpäin. Timantin jämäkästä rakenteesta johtuvat myös sen poikkeukselliset mekaaniset ominaisuudet ja kemiallinen kestävyys. Materiaalien kykyyn raaputtaa toisiaan perustuvalla Mohsin skaalalla timantti on kaikista tunnetuista materiaaleista kovin. Timantti kestää hyvin tavanomaisia happoja ja emäksiä. Monikiteisessä muodossaan timantti on mekaanisesti haurasta ja jonkin verran viidensadan asteen yläpuolella timantti palaa muodostaen yhdessä hapen kanssa hiilidioksidia.
Pinnoitteita timantista
Materiaalien vuorovaikutukset ympäristön kanssa tapahtuvat ohuessa pintakerroksessa. Muuttamalla pintakerroksen rakennetta ja koostumusta esimerkiksi erilaisilla ohutkalvopinnoitustekniikoilla näitä vuorovaikutuksia kuten kulumista ja korroosiota voidaan hallita. Luonnossa timantti syntyy maankuoren sisällä korkeassa lämpötilassa ja paineessa. Näiden olosuhteiden simuloiminen laboratoriossa on haasteellista. Timanttipinnoitteiden valmistukseen on kuitenkin kehitetty lukuisia fysikaalisia ja kemiallisia menetelmiä. Pinnoitteiden rakenne ja ominaisuudet riippuvat käytetystä menetelmästä. Esimerkiksi kemiallisilla CVD (Chemical Vapor Deposition) menetelmillä kasvatetut timanttikalvot ovat kiteisiä.
Itse tutkin kokeellisessa väitöskirjatyössäni (Alakoski, 2006) timanttipinnoitteita, jotka valmistettiin pulssitetulla ja suodatetulla plasmakaaripurkausmenetelmällä (FPAD – Filtered Pulsed Arc Discharge). FPAD kuuluu fysikaalisten PVD (Physical Vapor Deposition) -menetelmien laajaan joukkoon. Menetelmällä kasvatetut timantinkaltaiset kalvot ovat amorfisia (vailla pitkän kantaman järjestystä). Kalvoissa suurin osa kemiallisista sidoksista hiiliatomien välillä on timanttisia ja mekaaniset ominaisuudet lähestyvät luonnontimantin vastaavia. Amorfisuuden etuna on pinnan tasaisuus ja parantunut iskunkestävyys. Vaan mikä iskunkestävyydessä voitetaan, se lämmönjohtavuudessa menetetään. Ilman kiteiden raerajoja pinnoitteet eivät lohkea, mutta amorfisessa aineessa ei myöskään lämpö etene kuten järjestäytyneessä kiteessä.
Haasteena plasman hallinta
FPAD menetelmää voidaan kutsua myös korkeaenergia-plasmatekniikaksi. Plasma saadaan aikaiseksi kiinteästä grafiittikatodista suurella jännitteellä. Tämän ns. esiplasman lentäessä rengasmaisen anodin läpi pääpiiri kytkeytyy ja isoihin kondensaattoreihin varattu energia purkautuu hiiliplasmapulssina. Plasmapulssi kiihdytetään korkealla jännitteellä ja ohjataan kaartuvan solenoidin magneettikentällä törmäämään pinnoitettavaan kappaleeseen. Kaartuvaa solenoidia käytetään, koska grafiittikatodista irtoaa rajussa prosessissa myös kiinteitä mikrometrikokoluokan grafiittipartikkeleja. Partikkelit ovat tunnottomia plasmaa ohjaavalle solenoidin magneettikentälle, lentävät suoraan ja suodattuvat pois näytteeltä.
Professori Asko Anttilan perustaman kokeellisen timanttitutkimusryhmän tuloksena on syntynyt lukuisia väitöskirjoja, joissa on todistettu menetelmän ylivertaisuus tribologisten pinnoitteiden valmistuksessa (Alakoski ym., 2008). Työn kruununjalokivenä ovat liukupinnoiltaan timantilla pinnoitetut tekolonkkanivelet, joiden kehitystyöhön osallistuivat jo edesmenneet HYKSin lääketieteen professorit Seppo Santavirta ja Yrjö T. Konttinen.
Paksut timanttipinnoitteet ja miten niitä tehdään
Materiaalitekniikan tuntijat tietävät, että keraamin materiaalipaksuuden kasvattaminen lisää sen rasituksen kestoa suunnilleen paksuuden toiseen potenssiin (Anttila ym., 1997). Vastaavasti keraamisen ohutkalvon paksuuden kasvattaminen kymmenkertaiseksi parantaa rasituksenkeston satakertaiseksi.
Amorfisten timanttipinnoitteiden ongelmana on ollut rankasta prosessista kasvaviin kalvoihin syntyvät sisäiset puristusjännitykset. Kalvon paksuuden kasvaessa jännitykset johtavat pinnoitteen ”korkkautumiseen” irti materiaalin pinnasta. Tähän ongelmaan kehitettiin innovatiivisen Prof. Anttilan johdolla ratkaisu (Callister Jr., 2000).
Valitsemalla taustamateriaali oikein ja huolehtimalla rajapinnasta, paksut timanttikalvot saadaan pysymään kiinni. Tausmateriaalin pitää olla karbidin muodostaja ja kovuudeltaan sopivasti myötäävä. Yksi tällainen materiaali on ruostumaton ja haponkestävä kirurginen teräs, AISI 316 L. Pinnoitettavan pinnan pitää olla sileä ja puhdas. Erillisellä korkeaenergiayksiköllä tehdään rajapintaan sekoituskerros. Sekoituskerrokseen muodostuu karbideja ja suurella hiiliplasmaenergialla tehtynä timanttisidososuus on pienempi, jolloin myös sisäinen jännitys on pienempi. Varsinainen pinnoitus tehdään timantin tuottoon energiaoptimoidulla pinnoitusyksiköllä. Näillä tempuilla pinnassa saadaan pysymään kiinni useamman kymmenen mikrometrin paksuinen kerros huippulaatuista ja kestävää amorfista timantinkaltaista hiiltä (tetrahedral amorphous carbon). Valitettavasti tätä reseptiä ei maailmalla ole noudatettu ja paksuista timanttipinnoitteista tehtyjä tieteellisiä julkaisuja saa turhaan hakea.
Amorfisten timantinkaltaisten pinnoitteiden tutkimuksen loppu Suomessa?
Timanttitutkimusta (DLC) tehtiin Helsingin yliopiston fysiikan laitoksella ja kiihdytinlaboratoriossa 1990-luvulta 2000-luvun alkuvuosiin. Erinäisten sekalaisten vaiheiden kautta laitteistot päätyivät 2004 Invalidisäätiön sairaalalle, Tieteellinen tutkimus Ortonin tiloihin. Professori Anttilan jäätyä eläkkeelle tutkimusta jatkettiin dosentti Veli-Matti Tiaisen johdolla keskittyen timanttipinnoitteiden lääketieteellisiin sovelluksiin. Ryhmän viimeisimmässä väitöskirjatyössä Antti Soininen tutki timanttipinnoitteiden bioyhteensopivuutta. (Soininen, 2015). Ryhmää vahvasti tukeneen ja työteliään prof. Konttisen uuvuttua toimistopöytänsä ääreen 2014, on timanttiryhmän toiminta viime vuosina vähitellen hiipunut. Rahoituksen loppuessa maailmanlaajuisesti ainutlaatuiset pinnoituslaitteet uhkaavat nyt joutua roskalavalle.
Lääketieteessä timanttiryhmän kehittämällä teknologialla on suuri potentiaali vähentää mm. erilaisten tekonivelten kulumista ja turhista uusintaleikkauksista aiheutuvaa inhimillistä kärsimystä. Teollisuudessa tarvitaan parempia, kulutusta ja korroosiota kestäviä alhaisen kitkan tribologisia pintoja. Wear -lehdessä vuonna 2017 julkaistun kokooma-artikkelin (Holmberg & Erdemir, 2017) mukaan enemmän ja vähemmän huonot tribologiset kontaktit ovat vastuussa 23 % koko maailman vuotuisesta energian kulutuksesta. Timanttiryhmän laitteilla ei tätä ongelmaa ratkaista, mutta potentiaalia kehitystyöhön on todellakin valtavasti. Kysyn vain, onko Suomella varaa hukata maailmanluokan osaamista roskalavoille. Valo loistaa kyllä tunnelin päässä; osa laitteistoista on saamassa uuden kodin Jyväskylästä osana Jamkin ja Jyväskylän yliopiston ALD CoCampus tutkimusyhteistyötä. Pidetään peukkuja, että professori Asko Anttilan ja hänen ryhmänsä ansiokkaalle tutkimustyölle saadaan tulevaisuudessa jatkoa.
Omistan tämän kirjoituksen oman väitökseni kustoksen professori Yrjö T. (Ykä) Konttisen muistolle.